Croissance de nanostructurescomplexes à l’INSP

Objets quasi-ponctuels

Nano-objets sur une surface

Mode de croissance Stranski-Krastanov : Relaxation des contraintes par formation d’îlots sur une couche de mouillage.InAs / GaAs, Ge / Si…

Mode de croissance Volmer-Weber : Démouillage d’une couche sur une surface.Au/SiO2…

• Modes de croissance favorisés thermodynamiquement d’un point de vue de relaxation des contraintes ou d’énergie de surface. – Toutes techniques de croissance.

Nano-objet en volume

• Modes de croissance favorisés thermodynamiquement. Séparation entre deux phases non miscibles. – Toutes techniques de croissance permettant d’obtenir une solution

‘sursaturée’. – Nécessite un recuit : mûrissement d’Ostwald bloqué par la cinétique. – Contrôle de la taille-cristallinité-dispersion difficile.

• Sc dans oxydes, métaux dans oxydes…

Formation de np-Si en matrice de SiO2

• Microscopie électronique en transmission (MET)

1 2 3 4 5 6 7 80

10

20

30

40

Diamètre (nm)

1 2 3 4 5 60

10

20

30

40

50

60

70

80

Diamètre (nm)

x = 1

D = 4 nm

x = 1.5

D = 2 nm

Distribution en taille log-normale x = 1.9 : D = 1 nmdiffraction

x = 1

SubstratSubstrat SiSiCoucheCouche SiOSiO22 + Ge+ Ge

Formation de np-Si en matrice de SiO2

gaz

10-6 - 0.1 mbar

porte cible

laser pulsé substrat

30 –750°C

λ→ UV τ ~ nsP~ 108 MW / cm2

Nanoparticules en solution

Ablation Laser Multicibles

-nano de Ge, Si, ou (III-V) dans une matrice oxyde (SiO2)-large gamme de nanos et de matrices

-contrôle taille et concentration des nanos SC-température-fluence laser-temps de dépôt-nature et pression du gaz

Caractérisations des films nanocomposites

-composition des nanos et matrice

-taille et concentration des nanocristaux

-structure des nanocristaux et de la matrice

basse pressionfilms

haute pression 10 mbarconfinement du plasma condensationformation de nanoparticules

Synthèse par Ablation Laser

-synthèse de nanos que la « chimie » ne sait pas faire-manipulation « simple » des nanos

Problèmes Actions

- nature et pression du gaz- intensité des pulses laser

« traitement chimique »-adsorption ou greffage de groupes fonstionnalisés-sélection de groupes fonctionnels-incorporation dans le solvant-dispersion et/ou insertion des nanos

-contrôle de la taille des nanos………..

-éviter les phénomènes d’agrégation…

récupération dans un solvant

gaz

sélectivité ?récupération ?

J. Perrière

Conclusion

• La synthèse d’objets quasi-ponctuels est relativement aisée àobtenir tant qu’il n’y a pas de contraintes de substrat ou de matrice.

• Mais…

– Les nano-objets sont obtenus avec une grande polydispersité de taille.

– Il est difficile d’obtenir ces objets isolés.

• Solutions…

– Étude avec sonde locale.

– Sites de nucléation pré-déterminés (gravure, contraintes, reconstruction de surface…).

– Dispersion en solution ?

Objets ‘unidimensionnels’

Fils de ZnSe

• Objectif : changer localement la sursaturation par la présence de gouttes d’or. – Pas de croissance de ZnSe/GaAs– Pas de croissance de ZnSe sur ZnSe– Croissance à l’interface entre Au et GaAs ou ZnSe.

Etapes de croissance

• Formation de nanoparticules d’or. – Formation d’un film d’or, – Démouillage par recuit.

• Croissance de ZnSe.

EpitaxieEpitaxie

• The <111>-oriented ZnSe nanowires on GaAs (001) substrate.

Top ViewCross sectional View

Utilisation

• Croissance de fils quantiques de semiconducteur. • Croissance d’une boite quantique unique dans un fil.

Dépôt en incidence rasante (GLAD)

αβ

α≠β : règle des tangentes

Evolution de la morphologie en cours de croissance

35 nmLes colonnes continuent

de croître.10 nm

Couche de mouillage.

23 nmApparition de

colonnes espacées.

223 nmLes colonnes s’élargissent.

Une structure fibreusesdevient visible dans les

colonnes.

Conditions de dépôt (TiO2)

• α = 85°

• Différentes épaisseurs (t)

• Ts = RT

• 10-4 Torr, 1sccm O2 + 2sccm Ar

• Vitesse de croissance = 0.9 nm/s

Structures réalisables par GLAD

Structures de Si obtenues par dépôt en incidence oblique. Nucléation sur

des plots d’or. M.O. Jensen, M.J. Brett, Opt. Express 13, 3348 (2005)

400 nm

Couche mince de nanospirales de TiO2 (INSP).

Conclusion

• L’utilisation des modes de croissances et de leurs instabilités permet de mettre en forme les matériaux à l’échelle du nanomètre dans une (puits quantiques), deux (fils) voire trois (boîtes) dimensions.

• Les dimensions sont bien maîtrisées uniquement dans le cas des puits quantiques (si on oublie la rugosité ou l’interdiffusion).

• Il est relativement aisé d’obtenir des objets quasi-ponctuels.

• L’(re-)utilisation de nouveaux modes de croissance permet de synthétiser des objets unidimensionnels.

• Ces approches ‘bottom-up’ permettent d’obtenir des nano-matériauxsur de grandes surfaces mais au détriment d’une forte densité(interactions) et d’une distribution en taille importante.

• Soutien technique nécessaire (merci S. Chenot, M. Eddrief, D. Demaille).